Люминесценция это излучение света которое может происходить не только в результате нагревания тел, но и при других явлениях, например при электрическом разряде в глазах, некоторых химических процессах (гниение, окисление фосфора) и т. д.
Наблюдается свечение светляков и морских микроорганизмов. Можно вызвать вторичное свечение веществ, действуя на них ультрафиолетовым излучением и т. п. Все эти виды излучения называют холодным свечением или люминесценцией.
Что такое люминесценция
Люминесценцией называют все виды излучения света, кроме излучения света нагретыми телами.
Люминесценцию подразделяют в соответствии с явлениями, которые ее вызывают.
Виды люминесценции:
1) биолюминесценцией называют свечение, наблюдаемое в живых организмах (грибы, бактерии, насекомые);
2) электролюминесценцией — свечение газов при электрическом разряде;
3) фотолюминесценцией — свечение, возбуждаемое посторонним излучением;
4) катодолюминесценцией — свечение вещества под ударами электронов и т. п.
Элементарный механизм теплового излучения и люминесценции одинаков. Однако тепловое излучение является универсальным свойством всех тел и при соответствующих условиях принимает равновесный характер.
Люминесценция же является избирательным свойством тел, хотя и весьма распространенным, а излучение при ней является односторонним.
Оно связано с непосредственным преобразованием различных видов энергии в энергию света и прекращается как только израсходуется энергия, обусловливающая излучение.
При люминесценции тело высвечивает фотоны.
Люминесценция не зависит от теплового излучения и может происходить одновременно с ним. С. И. Вавилов дал следующее определение: люминесценция это избыток излучения тела над его тепловым излучением при данной температуре.
Явление фотолюминесценции
Явление фотолюминесценции (в дальнейшем приставка фото опускается), это свечения тел при поглощении излучения от постороннего источника.
При этом атомы и молекулы вещества поглощают падающие на них фотоны с одной длиной волны (λ1), возбуждаются и излучают фотоны с другой длиной волны (λ2). Явление показано схематически на рис. 2.
Фотолюминесценция свойственна большинству твердых и жидких тел. Простейший опыт по наблюдению фотолюминесценции: стакан С с раствором флуоресцина освещается светом дуги через фиолетовое стекло Ф, задерживающее голубое и все более длинноволновое излучение.
При этом в освещенной части жидкость ярко светится зелено-желтым светом.
Излучение при фотолюминесценции имеет преимущественно полосатые спектры. Как спектр излучения, так и спектр поглощения при люминесценции характерны для данного вещества.
При этом в большинстве случаев свет люминесценции имеет большую длину волны, чем свет, ее вызывающий.
Это отражено правилом Стокса:
при спектр люминесценции излучения и его максимум сдвинуты по отношению к спектру поглощения и его максимуму в сторону более длинных волн.
Свечение, продолжающееся после прекращения действия излучения, возбуждающего люминесценцию, называется послесвечением. Послесвечение может быть весьма различным от 10-8 сек до нескольких часов и даже суток.
Свечение, которое по зрительному ощущению прекращается одновременно с прекращением возбуждения, называется флуоресценцией.
Свечение, имеющее заметное на глаз послесвечение, называется фосфоресценцией. Вещества с особенно длительным послесвечением называются фосфорами.
Фотолюминесценция веществ
Фотолюминесценция наблюдается у многих жидких и твердых тел как неорганической, так и органической природы.
В настоящее время изготовляется большое количество веществ, дающих сильную фотолюминесценцию и называемых люминофорами.
Обычно основное вещество люминофора (окиси и сернистые соединения кальция, стронция и цинка, различные соли кремниевой, борной и вольфрамовой кислот) смешивается с незначительным количеством другого вещества, называемого активатором (марганец, кобальт, медь), которое значительно усиливает люминесценцию.
Большая часть люминофоров возбуждается ультрафиолетовым излучением с длиной волны 250—285 ммк и дает видимое излучение различного спектрального состава.
Люминофоры широко используются при устройстве люминесцентных ламп, светящихся экранов в электроннолучевых трубках, для изготовления светящихся красок и т. д.
Определение природы и состава вещества по характеру или точнее спектру его люминесцентного излучения называется люминесцентным анализом.
При этом обычно наблюдается свечение тел под действием ультрафиолетового излучения.
При соответствующих условиях при этом можно обнаруживать наличие ничтожных количеств вещества (до 10-9 г).
Люминесцентный анализ делится на макроанализ, когда наблюдение производится невооруженным лазом, и микроанализ, когда оно производится при помощи микроскоп.
Люминесцентность применение
Люминесцентный макроанализ имеет большое значение в промышленности, гигиене и медицине.
Большая часть органических соединений (кислоты, эфиры, жиры, алкалоиды, красители и т. д.) дает при поглощении ультрафиолетового излучения характерное свечение.
На этом основана, например, проверка качества и сортировка пищевых продуктов, фармакологических средств, растительного волокна (тканей), кожи и т. п., обнаружение в них суррогатов или фальсификаций и т. д. Используемый при этом прибор называется флуорометром.
Основную часть его составляет ртутная лампа, снабженная светофильтром. Цвет и интенсивность свечения наблюдаются глазом или измеряются с помощью фотоэлемента.
Фотолюминесценцию дают почти все ткани организма, особенно ногти, зубы непигментированные (седые), волосы, роговая оболочка, хрусталик глаза и т. д.
Кожные заболевания с люминесценцией применяют при диагностике болезней кожи.
Во многих случаях в качестве диагностического приема пользуются введением в организм специальных красок, которые абсорбируются в определенных тканях. Эти ткани затем исследуются на люминесценцию.
При люминесцентной микроскопии исследуются естественные препараты или препараты, окрашенные флуоресцирующими красками.
Установка для микроскопии (рис. 3) состоит из специального осветителя О, состоящего из ртутной лампы со светофильтром Ф, пропускающим только ультрафиолетовое излучение с длиной волны 320—400 ммк (стекло Вуда), теплового фильтра Г, кварцевой призмы П и конденсора K, с кварцевыми линзами.
Препарат фиксируется в нефлуоресцирующей среде и располагается на кварцевом или увиолевом предметном стекле.
Оптика микроскопа может быть из обычного стекла, так как через нее проходит видимый свет, возникший на препарате в результате флуоресценции.
Люминесцентные источники оптического излучения
Лампы, в которых используется свечение газа при электрическом разряде, называется газосветными и представляют стеклянные трубки, наполненные тем или иным газом под различным давлением.
На концах трубки имеются электроды, к которым подводится переменное напряжение.
Излучение имеет линейчатый спектр преимущественно в видимой области. Спектр зависит от природы газа, заполняющего трубку.
Например, неон светится оранжево-красным светом, азот — фиолетовым, аргон — синевато-зеленым и т. д.
Газосветные лампы являются экономичным источником излучения. Однако его спектральный состав мало соответствует спектру белого цвета, поэтому эти лампы применяются преимущественно для декоративного освещения.
Неоновая лампа, часто применяемую в качестве индикатора высокочастотных колебаний. Лампа (рис. 3) заполнена разреженным неоном и имеет два плоских близко расположенных электрода А и Б.
Лампа может светиться также под действием высокочастотного переменного электрического поля, в которое она помещена.
В этом случае поле, действуя на первично ионизированные частицы газа, приводит их в интенсивное колебательное движение, которое поддерживает вторичную ионизацию. Такой разряд называется безэлектродным.
Люминесцентные ртутные лампы
Основной интерес для нас представляют лампы, в которых электрический разряд происходит в атмосфере ртутных паров.
При этом возбужденные атомы ртути дают интенсивное излучение в ультрафиолетовой области спектра.
Ртутные лампы разделяются на лампы низкого (0,01 — 1,0 мм рт. ст.), высокого (150—400 мм рт. ст.) и сверхвысокого (несколько атмосфер) давления. Из них в медицине используются лампы низкого и высокого давления.
Медицинская ртутная лампа высокого давления, или как ее называют, аргоно-ртутно-кварцевая лампа состоит из прямой трубки К из кварцевого стекла, из которой удален воздух.
Трубка наполнена аргоном под невысоким давлением. Кроме того, она содержит небольшое количество ртути.
Впаянные по концам металлические электроды Э для улучшения эмиссии электронов покрыты окислами щелочных металлов. При включении питающего напряжения между электродами горелки возникает тлеющий разряд в аргоне.
Разряд начинается за счет тех единичных ионов и электронов, которые имеются в естественном газе, и поддерживается за счет вторичной ионизации.
При этом электроды за счет бомбардировки их ионами газа и электронами нагреваются и с их поверхности происходит эмиссия электронов. Нагревается вся лампа, и имеющаяся в ней ртуть испаряется.
Возникает дуговой разряд в ртутных парах, давление которых при этом повышается до необходимого предела: устанавливается рабочий режим лампы.
При этом лампа дает излучение с линейчатым спектром в ультрафиолетовой области (максимум излучения при длине волны 365 ммк, а также в сине-фиолетовой части видимого спектра.
Это излучение и видно глазом при работе лампы.
Лампу включают в сеть переменного тока. Параллельно лампе через кнопку К включают конденсатор С, разряд которого облегчает зажигание лампы. Последовательно с лампой включается индуктивное сопротивление (дроссель) Д.
Дроссель необходим для стабилизации тока в цепи лампы. Как указывалось, при разряде в газе незначительное изменение напряжения между электродами может вызвать непропорционально большое изменение количества вторично образующихся ионов и электронов и соответственное изменение тока, которое может нарушить работу лампы.
При изменении тока в дросселе возникает электродвижущая сила самоиндукции, противодействующая этому изменению, и таким образом сила тока автоматически поддерживается на постоянном уровне.
Лампа помещается в рефлекторе, который укреплен на штативе того или иного устройства, в зависимости от назначения лампы.
Применение ртутных ламп
Облучение ультрафиолетовым излучением применяют не только как средство лечения, но и как средство укрепления, закаливания организма.
Это особенно важно для людей, которые в силу климатических условий (например, на Крайнем Севере ) или условий работы под землей лишены солнечного света.
Профилактическое облучение одновременно целой группы людей производится при помощи специального облучателя.
Облучаемые располагаются на определенном расстоянии вокруг лампы и в течение определенного промежутка времени медленно поворачиваются так, чтобы обеспечить равномерное облучение всего тела.
Ртутная лампа низкого давления
Ртутная лампа низкого давления, называемая в медицине бактерицидной лампой (рис. 4, а), представляет собой трубку Т из увиолевого стекла (стекло с примесью кварца), по концам которой имеется два электрода Э в форме спиралей накала.
Трубка заполнена аргоном под давлением в несколько миллиметров ртутного столба и содержит каплю металлической ртути.
Лампа Л включается в осветительную сеть последовательно с дросселем Д. Параллельно электродам лампы включен стартер С (рис. 4, б).
Он состоит из неоновой лампочки с биметаллическим электродом, который вначале замыкает цепь тока для накала спиралей электродов.
Как только электроды лампы нагреваются и в них возникает электронная эмиссия, биметаллическая пластинка стартера размыкает цепь.
При этом между электродами в лампе возникает тлеющий разряд первоначально в атмосфере легко ионизирующегося аргона. Постепенно ртуть испаряется и заполняет трубку.
Лампа переходит на рабочий режим, при котором тлеющий разряд происходит уже в атмосфере ртутных паров и между холодными электродами. Давление ртутных паров в лампе составляет около 6•10-3 мм рт. ст.
Лампа дает излучение с линейчатым спектром преимущественно в ультрафиолетовой области, максимум которого (до 70% всего излучения) падает на длину волны 253,7 ммк.
Бактерицидные лампы применяются для дезинфекции воздуха в oперационных, перевязочных, инфекционных отделениях больниц, а также в местах большого скопления людей (школы, театры и т. п.), особенно во время гриппозных эпидемий. Подвесной бактерицидный облучатель состоит из корпуса К, рефлектора Р и лампы Л.
Люминесцентные лампы
В настоящее время для целей освещения применяются лампы, которые и называют собственно люминесцентными.
Они устроены подобно ртутной лампе низкого давления, но делаются из простого стекла, внутренняя сторона которого покрыта люминофором.
Люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение, возникающее в парах ртути внутри лампы, в видимое излучение определенного спектрального состава. Лампа является экономичным и гигиеничным источником искусственного света.
В зависимости от состава люминофора, лампы дают свечение разного цвета (фиолетовый, голубой, зеленый, оранжевый, красный и т. п.).
Путем комбинирования люминофоров можно получить свет любого оттенка. Соответственно имеются лампы дневного света, холодного белого света, теплого белого света и т. д.
В спектре люминесцентной лампы (рис. 5) сочетается сплошной спектр излучения люминофора с линейчатым спектром, частично проходящего через него излучения ртутных паров.
Способ зажигания и схема включения в сеть люминесцентных ламп такие же, как и у бактерицидной лампы (см. рис. 4, б).
Имеется специальный тип люминесцентной лампы, которая дает ультрафиолетовое излучение с длиной волны в пределах 285—380 ммк (максимум излучения с длиной волны 310—320 ммк), недостающее в солнечном излучении в зимний период.
Лампа называется эритемной и в общем светильнике с группой ламп дневного света применяется для освещения в школах, яслях, больницах и т. п. в зимние периоды, особенно в северных районах страны.